CN102684746A - 一种电力线载波窄带信号传输特性调整方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电力线载波窄带信号传输特性调整方法及装置，其中所述方法包括：采集电力线载波窄带通信信道测试电路中的模拟载波信号，并经过A/D转换生成对应的数字载波信号；对所述的数字载波信号进行包括信号复制、频域变化、延时变化以及加权叠加在内的信号特性调整，生成传输特性调整信号；将所述的传输特性调整信号进行D/A转换后生成特性调整模拟信号，并耦合回到电力线载波窄带通信信道测试电路。本发明实施例的电力线载波窄带传输信号特性调整方法与装置，具有全数字化、集成度高、信号处理能力强等优点，而且可以不断的对信道模型进行完善，做到实时模拟，现场更新。

Description

一种电力线载波窄带信号传输特性调整方法及装置

技术领域

本发明涉及电力线传输领域，具体是指一种电力线载波窄带信号传输特性调整方法及装置，尤其涉及一种基于FPGA的电力线载波窄带信号传输特性调整方法及装置。

背景技术

电力线载波通信是用电力线作传输媒介的载波通信，不需另外架设通信线路，电力线结构坚固，作为通信媒介使用可靠性很高。电力线载波通信是电力部门特有的一种通信方式，特别适用于以电力***各发电厂、变电所和开关站为对象的电力***调度电话、远动及在被保护的电力线路两端间传送保护信号的远方保护***。

目前，低压电力线窄带通信已经成为电力用户用电信息采集***主要的本地通信手段，大约占据了用电信息采集***本地信道的主要份额。随着技术的进步，低压电力线载波通信技术正从窄带点对点数据传输向宽带组网通信的方向发展。由于电力线原本是设计为用电设备传送电能的，具有阻抗匹配性差、噪声干扰不可预测、信号衰减强烈、信道特性时变性高等特点，给电力线载波通信技术的研究带来了诸多困难，因此需要在深入分析通信环境和信道模型的基础上，根据电力线载波通信信道的信号传输特性，建立低压电力线载波通信信道的模拟试验***，实现对低压电力线载波通信信道的多径、衰减、相位偏移和频率变化特性的模拟。

目前国内外对于低压电力线载波通信信道模拟方面的研究基本处于初期阶段，没有形成统一的信道模拟标准，已有的信道模拟***基本是基于分离式仪器搭建，设备造价高昂，体积庞大，操作复杂，但是由于各类仪器并非专门为载波通信信道模拟设计，功能指标浪费较为严重，组合以后只能对部分通信性能进行简单的模拟，模拟过程中也无法有效模拟信道的频率响应特性，效果并不理想。

现有信道模拟方案的设计思路是无源的阻容元件为主，利用计算机控制的继电组，模拟不同的典型现场条件，实现对低压电力线载波通信信道输入阻抗特性、传输衰减特性和干扰噪声特性的模拟，主要组成设备包括计算机通信***、程控衰减器、程控噪声模拟器、程控阻抗模拟器、频谱仪、示波器、人工电源网络、净化电源、工控机以及测控软件。该信道模拟方法利用隔离变压器和人工电源网络实现与市电网络的净化隔离，同时利用衰减很小的传输导线搭建一条较为干净的窄带载波通信模拟信道，通过在模拟信道上串联专用的程控衰减设备来模拟信道衰减特性的变化，通过在模拟信道上串联程控滤波器设备来模拟信道频率响应特性的变化，通过任意波形发生器、功率放大器和噪声注入单元来模拟信道上的噪声影响，通过电力线负载阻抗模拟网络来模拟信道的阻抗特性变化。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术中至少存在如下不足：

现有的信道模拟方式存在着仪器设备种类较多，造价高昂，体积庞大，操作复杂的缺点，同时由于所采用的仪器设备并非专门为低压电力线载波通信信道特性的模拟而设计，仪器设备功能指标浪费较为严重，在模拟信道上串联组合以后也只能对部分通信性能进行简单的模拟，***性较差，因此限制了这种信道模拟方式效果。

发明内容

本发明实施例提供一种电力线载波窄带信号传输特性调整方法，包括：采集电力线载波窄带通信信道测试电路中的模拟载波信号，并经过A/D转换生成对应的数字载波信号；根据设定的模拟路径长度和电力线衰减参数对所述的数字载波信号进行信号复制，生成多路多径传输信号；根据设定的频率响应系数对所述的多径传输信号的每一路信号进行频域变化，生成多路频率响应信号；根据设定的初始相位和模拟路径长度对所述多路频率响应信号进行相位时延，生成多路相位时延信号；根据设定的每条路径的加权系数对所述的多路相位时延信号进行加权叠加，合并成一路传输特性调整信号；将所述的传输特性调整信号进行D/A转换后生成特性调整模拟信号，并耦合回到电力线载波窄带通信信道测试电路。

本发明实施例还提供一种电力线载波窄带信号传输特性调整装置，其特征在于，包括：A/D转换器，用于采集电力线载波窄带通信信道测试电路中的模拟载波信号，并经过A/D转换生成对应的数字载波信号；信号复制模块，用于根据设定的模拟路径长度和电力线衰减参数对所述的数字载波信号进行信号复制，生成多路多径传输信号；频域变化模块，用于根据设定的频率响应系数对所述的多径传输信号的每一路信号进行频域变化，生成多路频率响应信号；相位时延模块，用于根据设定的初始相位和模拟路径长度对所述多路频率响应信号进行相位时延，生成多路相位时延信号；加权叠加模块，用于根据设定的每条路径的加权系数对所述的多路相位时延信号进行加权叠加，合并成一路传输特性调整信号；D/A转换器，用于将所述的传输特性调整信号进行D/A转换后生成特性调整模拟信号，并耦合回到电力线载波窄带通信信道测试电路。

本发明实施例的电力线载波窄带传输信号特性调整方法与装置，具有全数字化、集成度高、信号处理能力强等优点，而且可以不断的对信道模型进行完善，做到实时模拟，现场更新。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1为本发明实施例的电力线载波窄带信号传输特性调整方法的流程示意图；

图2为本发明电力线载波窄带信号传输特性调整装置的一种实施例的结构示意图；

图3为本发明电力线载波窄带信号传输特性调整装置的另一种实施例的结构示意图；

图4为图3所示实施例的数字信号处理模块的内部载波通信信道模拟的信号处理示意图；

图5为本发明电力线载波窄带信号传输特性调整装置的又一种实施例的结构示意图；

图6为图5所示实施例的FPGA部分的管脚连接图；

图7为图5所示实施例的通信模块部分的管脚连接图；

图8为图5所示实施例的电源部分和时钟部分的管脚连接图；

图9为图5所示实施例的A/D转换器部分的管脚连接图；

图10为图5所示实施例的D/A转换器部分的管脚连接图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明实施例做进一步详细说明。在此，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

随着数字信号处理技术的发展，各类数字信号处理芯片的处理能力和处理速度都得到了巨大的提高，被广泛应用于各种数字信号处理领域。现场可编程门阵列FPGA芯片具有体系结构和逻辑单元灵活、集成度高以及适用范围宽等特点。

基于这种情况，本发明实施例提供一种基于FPGA的电力线载波窄带信号传输特性调整方法及装置，用以对信号在低压电力线载波窄带通信信道中传输的变化情况进行模拟。该装置可以由计算机控制实现信道参数的设置，并可以将建立的信道参数数据库存储到内存中以实现快速读取；该装置基于目前先进的可编程逻辑阵列FPGA芯片，基于片上嵌入式架构完成，内部逻辑利用C语言和Verilog-HDL逻辑编程语言联合编写，所依据的载波信道传输模型可以基于现场信号测试结果生成和改进，不但可以有效地模拟低压电力线载波窄带通信信道中的噪声、衰减、多径和延时等主要特性，还可以模拟信号在传输过程中的特性时变、多普勒相移、频率非线性畸变等变化情况。

图1为本发明实施例的电力线载波窄带信号传输特性调整方法的流程示意图。如图所示，电力线载波窄带信号传输特性调整方法包括：

步骤S101，采集电力线载波窄带通信信道测试电路中的模拟载波信号，并经过A/D转换生成对应的数字载波信号；步骤S102，根据设定的模拟路径长度和电力线衰减参数对所述的数字载波信号进行信号复制，生成多路多径传输信号；步骤S103，根据设定的频率响应系数对所述的多径传输信号的每一路信号进行频域变化，生成多路频率响应信号；步骤S104，根据设定的初始相位和模拟路径长度对所述多路频率响应信号进行相位时延，生成多路相位时延信号；步骤S105，根据设定的每条路径的加权系数对所述的多路相位时延信号进行加权叠加，合并成一路传输特性调整信号；步骤S106，将所述的传输特性调整信号进行D/A转换后生成特性调整模拟信号，并耦合回到电力线载波窄带通信信道测试电路。

在此实施例中，电力线载波窄带通信信道测试电路中的模拟载波信号是通过对集中器载波通信装置送出的通信信号进行隔离并提取得到，通过对其电平进行缩小处理，使其符合A/D转换的输入要求，对模拟载波信号进行A/D转换后，生成数字载波信号再进行数字信号处理，包括信号复制，频域变化、延时变化以及加权叠加等，其中，信号复制处理可以模拟载波信号在信道中传输时的多径传输特性，频域变化处理可以模拟频率响应特性，延时变化可以模拟相位偏移特性，以及加权叠加处理可以模拟多径传输干扰特性。在进行信号复制，频域变化、延时变化以及加权叠加等数字信号处理的过程中，需要根据设定的信道影响参数对数字载波信号进行信号特性调整，所述参数包括路径加权系数、电力线衰减参数、路径长度、频率响应系数、卷积时延以及路径初始相位等，可以根据信道模拟需求而通过控制计算机设定。本实施例中，根据设定参数进行信号特性调整时，分别用到的特性调整公式为：

对数字载波信号进行信号复制时，用到的公式为：

k＝1,2,…,N，其中，d_k为设定的路径k的模拟路径长度，a₀为设定的路径k的电力线衰减参数。

对所述的数字载波信号进行频域变化时，用到的公式为：

${\mathrm{FIL}}_{j,k}\left(i\right)=\underset{{\mathrm{\τ}}_k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{j,{\mathrm{\τ}}_k}\·{\mathrm{DIV}}_k(i-{\mathrm{\τ}}_k),$ j＝1~5;k＝1,2,…,N，其中：j为子信号序列号；

为设定的路径k中第j个子信号的频率响应系数。

对所述的数字载波信号进行延时变化时，用到的公式为：

${\mathrm{DLY}}_{j,k}\left(i\right)={\mathrm{FIL}}_{j,k}\left(i\right)\·e^{-j({\mathrm{\φ}}_k+2\mathrm{\π}\frac{d_k}{v_p})},$ j＝1~5;k＝1,2,…,N，其中：φ_k表示设定的路径k的初始相位；v_p为信号在电力线上的传播速度。

对所述的数字载波信号进行加权叠加包括：

对每个路径上的子信号进行求和累加，其输出信号SUM_k(i)为：

${\mathrm{SUM}}_k\left(i\right)=\underset{j=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{DLY}}_k\left(i\right),k=\mathrm{1,2},\·\·\·,N.$

对每条路径上的传输信号进行加权，其输出信号POW_k(i)为：

POW_k(i)＝g_k·SUM_k(i),k＝1,2,…,N，其中，g_k为设定的路径k的加权系数。

对N条路径的加权信号进行累加合并，恢复形成一路输出信号，其输出信号SUM(i)为： $\mathrm{SUM}\left(i\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{POW}}_k\left(i\right).$

将上述信号复制、频域变化、延时变化以及加权叠加等数字信号处理步骤进行综合合并，得到一个总的信号处理的公式，为：

$y\left(i\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_k\·e^{-a_0{d}_k}\·(\underset{{\mathrm{\τ}}_k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{{\mathrm{\τ}}_k}\·x(i-{\mathrm{\τ}}_k))\·e^{-j({\mathrm{\φ}}_k+2\mathrm{\π}\frac{d_k}{v_p})},$ 其中：

x(i)为所述的数字载波信号；

y(i)表示生成的传输特性调整信号；

k为路径号，表示信号经过不同路径到来的先后次序，1为最短路径；

g_k为路径k的加权系数；

a₀为电力线的衰减参数；

d_k为路径k的长度；

是路径k的频率响应系数；

τ_k表示卷积时延；

φ_k表示路径k的初始相位，v_p为信号在电力线上的传播速度，d_k/v_p表示路径k的时延。

处理后生成的传输特性调整信号进行D/A转换后生成特性调整模拟信号，再进行电压放大和功率方法后耦合回到电力线网络。

图2为本发明的电力线载波窄带信号传输特性调整装置的一种实施例的结构示意图，如图所示，电力线载波窄带信号传输特性调整装置包括：

A/D转换器20，用于将外部输入的电力线上的模拟载波信号转换为数字载波信号；

信号复制模块1001，用于根据设定的模拟路径长度和电力线衰减参数对所述的数字载波信号进行信号复制，生成多路多径传输信号；

频域变化模块1002，用于根据设定的频率响应系数对所述的多径传输信号的每一路信号进行频域变化，生成多路频率响应信号；

相位时延模块1003，用于根据设定的初始相位和模拟路径长度对所述多路频率响应信号进行相位时延，生成多路相位时延信号；

加权叠加模块1004，用于根据设定的每条路径的加权系数对所述的多路相位时延信号进行加权叠加，合并成一路传输特性调整信号；

D/A转换器30，用于将所述的传输特性调整信号进行D/A转换后生成特性调整模拟信号，并耦合回到电力线网络。

在本实施例中，信号复制模块1001、频域变化模块1002、相位时延模块1003以及加权叠加模块1004对A/D转换器20输出的数字载波信号进行处理，生成送往D/A转换器的传输特性调整信号，故在本实施例中，信号复制模块1001、频域变化模块1002、相位时延模块1003以及加权叠加模块1004可以合并为数字信号处理模块10，数字信号处理模块10对A/D转换器输出的数字信号进行传输特性的调整。

图3为本发明的电力线载波窄带信号传输特性调整装置的另一种实施例的结构示意图，如图所示，除了图2所示实施例中的A/D转换器20、数字信号处理模块10以及D/A转换器30外，还包括通信模块40、供电模块60和时钟模块50，模拟制式的载波信号在A/D转换器20完成模拟信号向数字信号的转换，将数字信号输出给数字信号处理模块10，在其内部中完成对信号的多径、衰减、相位偏移和频率变化特性的变化，之后输出给D/A转换器30将数字信号转换为模拟信号，并被耦合回到电力线网络，模拟窄带载波信号在电力线信道上传输时的信号特征变化情况。由控制计算机对数字信号处理模块10进行信道影响参数的设置；数字信号处理模块10与控制计算机通过通信模块40进行信号传输；时钟模块50，用于为所述的数字信号处理模块10提供参考时钟源；供电模块60，用于为整个电力线载波窄带信号传输特性调整装置提供电源。

本实施例中，数字信号处理模块10为FPGA芯片，其内部载波通信信道模拟的信号处理示意图如图4所示。所述FPGA芯片由控制计算机为每路模拟信道设定不同的模拟参数，首先将输入信号通过输入滤波器，滤除影响信号处理的外部干扰信号，然后将信号复制为相同的、并行的N个信号，作为N条传输路径的输入信号，以模拟信道的多径传输特性；对于每一条传输路径上的输入信号，利用该传输路径上的M个频率调整滤波器对其进行频域变化，以模拟信道的频率响应特性；经过频率响应变化后，将每一个滤波器输出信号分别进行延时，延时的时钟周期用来模拟信号在信道上传输过程中的相位偏移特性；经过信道延时变化后，将每一条传输路径上的M个经过延时的信号进行叠加，形成N个叠加结果，分别对应于N条传输信道，然后对每条传输信道选择不同的权值，将所有N条信道的输出信号进行加权叠加，然后对加权叠加的结果通过输出滤波器进行最终特性调整，得到信道模拟的输出信号。

图5为本发明的电力线载波窄带信号传输特性调整装置的又一个实施例的结构示意图。在本实施例中，数字信号处理模块为FPGA芯片，选用的是XC2V250芯片，其内部有一条载波通信模型信道，由控制计算机为信道设定不同的模型参数。

A/D转换器20将模拟输入信号转换为数字信号；晶体振荡器50负责向FPGA芯片10提供时钟信号；FPGA芯片10中由A/D信号采集模块101来控制A/D转换器20的信号采集和输出等功能，其输出信号被引入时间基准对齐模块102来完成与FPGA内部时钟的同步，之后其输出信号被引入到输入整形模块104，以消除数字载波信号中的干扰信号；随后输入整形模块104的输出数据被引入到传输路径分离模块105，将单一输入信号分为N条并行的传输路径：路径1~路径N，以模拟信道中的多径干扰形成过程；然后将路径1~路径N的信号引入到滤波器阵列106，对信道的频率响应特征和非线性衰减特征进行模拟；滤波器阵列106的输出信号将被引入到相移延时模块107，以模拟信道的相位偏移特性；随后，其输出信号将被引入到本路径数据累加模块108，完成每条路径上不同频域特性数据的累加；累加的结果将被引入到路径数据加权模块109，对每条传输路径的数据设定不同的传输权重，完成加权的数据将被送入到总累加模块110进行N路传输路径的加权累加，以模拟多径传输干扰的影响；总累加模块110的加权累加输出数据被引入到传输延时模块111，完成对整个信道传输延时的模拟；传输延时模块111的输出数据被引入到输出滤波模块112，用于对生成的传输特性调整信号进行干扰消除，输出信号被引入到D/A转换控制模块113的输入端；D/A转换控制模块113用于完成对D/A转换器30的数据传输、功能控制和时钟管理；信号最终由D/A转换控制模块113传输给D/A转换器30完成数字信号向模拟信号的转变。另外时钟管理模块103用于各个功能子模块的时钟管理，包括时钟频率选择、时钟相位调整和信号同步等。其中A/D信号采集模块101、时间基准对齐模块102、输入整形模块104、传输路径分离模块105、滤波器阵列106、相移延时模块107、本路径数据累加模块108、路径数据加权模块109、总累加模块110、传输延时模块111、输出滤波模块112、D/A转换控制模块113和时钟管理模块103全部集成在FPGA芯片的内部。在本发明中，FPGA芯片内部各模块使用Verilog语言进行编写，并通过FPGA片上的逻辑关系实现。FPGA芯片对数字信号处理非常灵活，功能强大，具有很大优势。

本发明中，输入整形模块104基于三阶巴特沃兹滤波器设计，所依据的信号传递函数如下：

$H\left(f\right)=\sqrt{\frac{1}{1+{\left(\frac{f}{f_C}\right)}^6}},$ 其中，f_C为截止频率。

传输路径分离模块105、滤波器阵列106、相移延时模块107、本路径数据累加模块108、路径数据加权模块109和总累加模块110作为通信信道模拟的主要组成部分，依据低压电力线载波窄带通信信道的信号频率响应关系式对传输信号进行处理，公式依据如下：

$y\left(i\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_k\·e^{-a_0{d}_k}\·(\underset{{\mathrm{\τ}}_k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{{\mathrm{\τ}}_k}\·x(i-{\mathrm{\τ}}_k))\·e^{-j({\mathrm{\φ}}_k+2\mathrm{\π}\frac{d_k}{v_p})}$

式中x(i)为输入信号，y(i)表示输出信号，k为路径号，也可表示信号经过不同路径到来的先后次序，1为最短路径。第一项g_k为路径k的加权系数；第二项为衰减部分，其中a₀为电力线的衰减参数，d_k为路径k的长度；第三项为信号的频率响应部分，其中是路径k的频率响应系数，τ_k表示卷积时延；第四项为相移时延部分，φ_k表示路径k的初始相位，v_p为波在电力线上的传播速度，d_k/v_p表示路径k的时延。

传输路径分离模块105对应于图2所示实施例中的信号复制模块1001，用于将输入信号x(i)分为N条传输路径，则传输路径分离模块105输出信号共有N路，第k路输出DIV_k(i)的表达式为：

${\mathrm{DIV}}_k\left(i\right)=e^{-a_0{d}_k}\·x\left(i\right),k=\mathrm{1,2},\·\·\·,N,$

式中d_k为每条传输路径的模拟路径长度，a₀为每条传输路径的电力线衰减参数，d_k和a₀可以根据信道模拟需求而通过控制计算机设定。

滤波器阵列106对应于图2所示实施例中的频域变化模块1002，用于实现每条路径上传输信号的频率响应，在滤波器阵列106中，每条路径的信号将再次被分别分为5个子信号，分别对3kHz～100kHz、100kHz～200kHz、200kHz～300kHz、300kHz～400kHz、400kHz～5001kHz的频率响应情况进行模拟，以弥补使用单一滤波器不能准确反映3kHz～500kHz全频段信号变化情况的缺陷，因此滤波器阵列106共有5N条输出信号路径。其输出信号FIL_j，k(i)的表达式为：

${\mathrm{FIL}}_{j,k}\left(i\right)=\underset{{\mathrm{\τ}}_k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{j,{\mathrm{\τ}}_k}\·{\mathrm{DIV}}_k(i-{\mathrm{\τ}}_k),j=1~5;k=\mathrm{1,2},\·\·\·,N,$

式中j为子信号序列号，从1到5；

是路径k中第j个子信号的频率响应系数，可以根据信道模拟需求而通过控制计算机设定。

相移延时模块107对应于图2所示实施例中的相位时延模块1003，用于实现每条路径上的所有传输信号的相移时延，共有5N条信号路径，其输出信号DLY_j,k(i)的表达式为：

${\mathrm{DLY}}_{j,k}\left(i\right)={\mathrm{FIL}}_{j,k}\left(i\right)\·e^{-j({\mathrm{\φ}}_k+2\mathrm{\π}\frac{d_k}{v_p})},j=1~5;k=\mathrm{1,2},\·\·\·,N,$

式中φ_k表示路径k的初始相位，可以根据信道模拟需求而通过控制计算机设定；v_p为信号在电力线上的传播速度，默认选取为光的传输速度；通过模拟路径长度d_k的设定，可以确定路径k的相位变化。

本路径数据累加模块108用于实现对每个路径上5个子信号的求和累加，其输出信号SUM_k(i)表达式为：

${\mathrm{SUM}}_k\left(i\right)=\underset{j=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{DLY}}_k\left(i\right),k=\mathrm{1,2},\·\·\·,N,$

路径数据加权模块109用于对每条路径上的传输信号进行加权，其输出信号POW_k(i)的表达式为：

POW_k(i)＝g_k·SUM_k(i),k＝1,2,…,N，

式中g_k为路径k的加权系数，可以根据信道模拟需求而通过控制计算机设定。

总累加模块110用于对N条路径的加权信号进行累加合并，恢复形成一路输出信号，其输出信号SUM(i)的表达式为：

$\mathrm{SUM}\left(i\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{POW}}_k\left(i\right).$

其中，本路径数据累加模块108、路径数据加权模块109以及总累加模块110对应于图2所示实施例中的加权叠加模块1004，共同完成对所述的多路相位时延信号进行加权叠加，合并成一路传输特性调整信号

图6~图10分别为本发明中图5所示实施例的FPGA部分、通信模块部分、电源部分和时钟部分、A/D转换器部分以及D/A转换器部分的管脚连接图。

采用本发明实施例的电力线载波窄带信号传输特性调整方法，将在如下方面带来改善：

1、使用数字方式实现了电力线载波窄带通信信道的模拟，相比于模拟信号处理方式，信道模拟过程抗干扰能力强，信号保真性高；

2、利用FPGA内部的乘加模块和时钟管理单元，进行对复杂频率响应的模拟，实现了对3kHz~500kHz频段信号特征变化的模拟；

3、信道参数可以由控制计算机远程设置，实时调整，实现了对信道特征时变性的模拟；

4、FPGA芯片对多径分离、衰减、延时和叠加都在一片芯片内实现，信号模拟准确，频谱范围覆盖面宽，实现片上***，集成度高，减少了体积，节省了功耗；

5、所有的信号处理功能基于片上嵌入式架构完成，利用逻辑编程语言联合编写，能够模拟信道特性的变化，适用于不同载波信道的测量。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种电力线载波窄带信号传输特性调整方法，其特征在于，所述的方法包括：

采集电力线载波窄带通信信道测试电路中的模拟载波信号，并经过A/D转换生成对应的数字载波信号；

根据设定的模拟路径长度和电力线衰减参数对所述的数字载波信号进行信号复制，生成多路多径传输信号；

根据设定的频率响应系数对所述的多径传输信号的每一路信号进行频域变化，生成多路频率响应信号；

根据设定的初始相位和模拟路径长度对所述多路频率响应信号进行相位时延，生成多路相位时延信号；

根据设定的每条路径的加权系数对所述的多路相位时延信号进行加权叠加，合并成一路传输特性调整信号；

将所述的传输特性调整信号进行D/A转换后生成特性调整模拟信号，并耦合回到电力线载波窄带通信信道测试电路。

2.如权利要求1所述的电力线载波窄带信号传输特性调整方法，其特征在于，所述对所述的数字载波信号进行传输特性调整还包括：

对所述的数字载波信号进行干扰信号的消除，其所依据的信号传递函数为：

$H\left(f\right)=\sqrt{\frac{1}{1+{\left(\frac{f}{f_C}\right)}^6}}$

其中，f_C为设定的截止频率。

3.如权利要求1所述的电力线载波窄带信号传输特性调整方法，其特征在于，所述根据设定的模拟路径长度和电力线衰减参数对所述的数字载波信号进行信号复制，生成多路多径传输信号包括：根据下述公式进行信号复制：

${\mathrm{DIV}}_k\left(k\right)=e^{-a_0{d}_k}\·x\left(i\right),k=\mathrm{1,2},\·\·\·,N,$

其中，d_k为设定的路径k的模拟路径长度，a₀为设定的路径k的电力线衰减参数。

4.如权利要求3所述的电力线载波窄带信号传输特性调整方法，其特征在于，所述根据设定的频率响应系数对所述的多径传输信号的每一路信号进行频域变化，生成多路频率响应信号包括：

根据下述公式进行频域变化：

${\mathrm{FIL}}_{j,k}\left(i\right)=\underset{{\mathrm{\τ}}_k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{j,{\mathrm{\τ}}_k}\·{\mathrm{DIV}}_k(i-{\mathrm{\τ}}_k),$ j＝1~5;k＝1,2,…,N，其中：

j为子信号序列号；

为设定的路径k中第j个子信号的频率响应系数。

5.如权利要求4所述的电力线载波窄带信号传输特性调整方法，其特征在于，所述根据设定的初始相位和模拟路径长度对所述多路频率响应信号进行相位时延，生成多路相位时延信号包括：

根据下述公式进行频域变化：

${\mathrm{DLY}}_{j,k}\left(i\right)={\mathrm{FIL}}_{j,k}\left(i\right)\·e^{-j({\mathrm{\φ}}_k+2\mathrm{\π}\frac{d_k}{v_p})},$ j＝1~5;k＝1,2,…,N，其中：

φ_k表示设定的路径k的初始相位；

v_p为信号在电力线上的传播速度。

6.如权利要求5所述的电力线载波窄带信号传输特性调整方法，其特征在于，所述根据设定的每条路径的加权系数对所述的多路相位时延信号进行加权叠加，合并成一路传输特性调整信号包括：

对每个路径上的子信号进行求和累加，其输出信号SUM_k(i)为：

${\mathrm{SUM}}_k\left(i\right)=\underset{j=1}{\overset{5}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{DLY}}_k\left(i\right),k=\mathrm{1,2},\·\·\·,N.$

7.如权利要求6所述的电力线载波窄带信号传输特性调整方法，其特征在于，所述根据设定的每条路径的加权系数对所述的多路相位时延信号进行加权叠加，合并成一路传输特性调整信号还包括：

对每条路径上的传输信号进行加权，其输出信号POW_k(i)为：

POW_k(i)＝g_k·SUM_k(i),k＝1,2,…,N，其中，

g_k为设定的路径k的加权系数。

8.如权利要求7所述的电力线载波窄带信号传输特性调整方法，其特征在于，所述根据设定的每条路径的加权系数对所述的多路相位时延信号进行加权叠加，合并成一路传输特性调整信号进一步包括：

对N条路径的加权信号进行累加合并，恢复形成一路传输特性调整信号，其输出SUM(i)为：

$\mathrm{SUM}\left(i\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{POW}}_k\left(i\right).$

9.如权利要求3~8所述的电力线载波窄带信号传输特性调整方法，其特征在于，所述的传输特性调整方法合并为：

根据下述公式进行信号特性调整：

$y\left(i\right)=\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{g}_k\·e^{-a_0{d}_k}\·(\underset{{\mathrm{\τ}}_k=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{b}_{{\mathrm{\τ}}_k}\·x(i-{\mathrm{\τ}}_k))\·e^{-j({\mathrm{\φ}}_k+2\mathrm{\π}\frac{d_k}{v_p})},$ 其中：

x(i)为所述的数字载波信号；

y(i)表示生成的传输特性调整信号；

k为路径号，表示信号经过不同路径到来的先后次序，1为最短路径；

g_k为设定的路径k的加权系数；

a₀为设定的电力线的衰减参数；

d_k为设定的路径k的长度；

是设定的路径k的频率响应系数；

τ_k表示卷积时延；

φ_k为设定的路径k的初始相位，v_p为信号在电力线上的传播速度，d_k/v_p表示路径k的时延。

10.一种电力线载波窄带信号传输特性调整装置，其特征在于，所述装置包括：

A/D转换器，用于采集电力线载波窄带通信信道测试电路中的模拟载波信号，并经过A/D转换生成对应的数字载波信号；

信号复制模块，用于根据设定的模拟路径长度和电力线衰减参数对所述的数字载波信号进行信号复制，生成多路多径传输信号；

频域变化模块，用于根据设定的频率响应系数对所述的多径传输信号的每一路信号进行频域变化，生成多路频率响应信号；

相位时延模块，用于根据设定的初始相位和模拟路径长度对所述多路频率响应信号进行相位时延，生成多路相位时延信号；

加权叠加模块，用于根据设定的每条路径的加权系数对所述的多路相位时延信号进行加权叠加，合并成一路传输特性调整信号；

D/A转换器，用于将所述的传输特性调整信号进行D/A转换后生成特性调整模拟信号，并耦合回到电力线载波窄带通信信道测试电路。

11.如权利要求10所述的电力线载波窄带信号传输特性调整装置，其特征在于，所述的装置还包括：

通信模块，用于所述信号复制模块、频域变化模块、相位时延模块以及加权叠加模块与计算机的信号传输。

12.如权利要求10所述的电力线载波窄带信号传输特性调整装置，其特征在于，所述的加权叠加模块包括：

本路径数据累加模块，用于完成所述每条路径上不同频域特性数据的累加；

路径数据加权模块，用于对所述每条路径上的传输信号设定不同的传输权重；

总累加模块，用于进行多路传输路径的加权累加，以模拟多径传输干扰特性的影响。

13.如权利要求10所述的电力线载波窄带信号传输特性调整装置，其特征在于，所述的电力线载波窄带信号传输特性调整装置还包括：

A/D信号采集模块，用来控制所述A/D转换器的信号采集和输出；

D/A转换控制模块，用于完成对所述D/A转换器的数据传输；

输入整形模块，用来消除所述数字载波信号中的干扰；

传输延时模块，用以完成对信道总传输延时的模拟；

输出滤波模块，用于对所述的传输特性调整信号进行干扰消除。

14.如权利要求10所述的电力线载波窄带信号传输特性调整装置，其特征在于，所述的装置还包括：

时钟模块，用于为所述的电力线载波窄带信号传输特性调整装置提供参考时钟源；

供电模块，用于为所述电力线载波窄带信号传输特性调整装置提供电源。

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